常君磊，李慶林，李富強(qiáng)，武永見(jiàn)，范俊杰，康少英，竇蓮英，魏學(xué)敏

（北京空間機(jī)電研究所 先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076）

0 引言

光學(xué)遙感器在軍事、農(nóng)業(yè)、國(guó)土資源、氣象各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，多光譜帶探測(cè)器的使用需求越來(lái)越多[1-2]。目前國(guó)內(nèi)外遙感技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)激烈；探測(cè)器屬于核心器件，從國(guó)外采購(gòu)非常困難，自主研發(fā)生產(chǎn)是必經(jīng)之路。濾光片則是探測(cè)器的關(guān)鍵部件，直接影響探測(cè)器成像系統(tǒng)的光譜響應(yīng)性能。因此要求濾光片在經(jīng)歷了地面存儲(chǔ)、運(yùn)輸，直至發(fā)射、在軌運(yùn)行等各種環(huán)境條件后，仍能保持環(huán)境穩(wěn)定性，具有良好的光譜特性和膜層牢固度，這對(duì)探測(cè)器乃至整個(gè)遙感載荷都至關(guān)重要[3-7]。

本文提出了一套針對(duì)航天光學(xué)遙感探測(cè)器濾光片的環(huán)境考核方法，將理論標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際使用需求相結(jié)合，在發(fā)射及在研遙感相機(jī)濾光片產(chǎn)品上實(shí)施且得到了試驗(yàn)驗(yàn)證，具有實(shí)際參考價(jià)值。

1 濾光片特點(diǎn)

濾光片是航天光學(xué)遙感相機(jī)上的特殊部件，既屬于光學(xué)元件又屬于電子元器件，其除了要滿足光學(xué)元件的膜層性能要求外，還要能承受電子元器件級(jí)別的環(huán)境考核。濾光片與探測(cè)器光敏芯片之間通過(guò)特制的結(jié)構(gòu)件或探測(cè)器封裝進(jìn)行配準(zhǔn)黏結(jié)。對(duì)濾光片的黏結(jié)強(qiáng)度，濾光片與探測(cè)器封裝間的密封漏率都有嚴(yán)格要求。目前濾光片的安裝黏結(jié)多采用高強(qiáng)度的光學(xué)結(jié)構(gòu)膠，黏結(jié)后的拆卸過(guò)程對(duì)探測(cè)器和濾光片都是破壞性的。而濾光片和探測(cè)器是遙感相機(jī)上的核心部件，研制加工難度大，生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高，尤其是多譜帶長(zhǎng)線陣型濾光片和探測(cè)器，目前在我國(guó)還處于研制起步階段，大部分產(chǎn)品來(lái)自國(guó)外。因此，由濾光片質(zhì)量問(wèn)題造成的探測(cè)器或系統(tǒng)級(jí)質(zhì)量問(wèn)題的修復(fù)過(guò)程需要付出很大代價(jià)。特別是在相機(jī)完成了焦面拼接配準(zhǔn)或定焦裝配之后，如果因?yàn)V光片質(zhì)量問(wèn)題影響了成像質(zhì)量，修復(fù)相機(jī)系統(tǒng)的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本會(huì)很高，造成的損失不可估量[8-10]。綜上，航天光學(xué)遙感濾光片的諸多特性決定了對(duì)其環(huán)境考核的重要性。

2 考核依據(jù)

針對(duì)濾光片的環(huán)境考核，與之相關(guān)聯(lián)的，國(guó)內(nèi)有對(duì)航天器組件、軍用設(shè)備、電子元器件、星載CCD相機(jī)、光學(xué)膜層等的環(huán)境考核依據(jù)，國(guó)外也有類似的對(duì)濾光膜、發(fā)射類光學(xué)設(shè)備、光學(xué)膜層測(cè)試、航天器等環(huán)境考核的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)[3-8]。但目前國(guó)內(nèi)外均沒(méi)有專門針對(duì)航天光學(xué)遙感探測(cè)器濾光片的環(huán)境考核標(biāo)準(zhǔn)或文獻(xiàn)依據(jù)。

濾光片的環(huán)境考核與遙感相機(jī)不同，考核項(xiàng)目需覆蓋其從生產(chǎn)、篩選、元器件級(jí)別考核至電子組件級(jí)考核的整個(gè)過(guò)程范圍，同時(shí)還要考慮其在系統(tǒng)級(jí)測(cè)試、轉(zhuǎn)運(yùn)存儲(chǔ)及衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程中所受的環(huán)境影響[4-6,11-14]。故濾光片環(huán)境考核除了熱循環(huán)、熱真空、輻照等常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目，還需要進(jìn)行熱存儲(chǔ)、濕度等存儲(chǔ)環(huán)境考核。高低溫循環(huán)試驗(yàn)是濾光片最基礎(chǔ)的考核項(xiàng)目，其考核條件的嚴(yán)苛程度高于其他項(xiàng)目，目的在于考核濾光片的溫度耐受性和性能穩(wěn)定性，充分暴露產(chǎn)品的批次缺陷。熱真空試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)濾光片承受熱真空環(huán)境的能力，暴露其材料及鍍膜工藝的缺陷。輻照試驗(yàn)是對(duì)濾光片基底材料最直接的考核手段，可依此來(lái)判斷濾光介質(zhì)的可靠性[15]。熱存儲(chǔ)和濕度試驗(yàn)的目的是考核濾光片承受極端存儲(chǔ)和發(fā)射場(chǎng)環(huán)境的能力。

表1列出了遙感相機(jī)濾光片與探測(cè)器封裝黏結(jié)之后須經(jīng)歷的相關(guān)各級(jí)環(huán)境考核項(xiàng)目及試驗(yàn)條件。

表1 典型的航天光學(xué)遙感探測(cè)器濾光片相關(guān)的環(huán)境考核項(xiàng)目及試驗(yàn)條件Table 1 Typical environmental assessment conditions for filter of the space optical remote-sensing camera

表1的數(shù)據(jù)源自現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)及遙感型號(hào)，均為典型項(xiàng)目和條件，可作為絕大部分可見(jiàn)光遙感相機(jī)濾光片的考核參考。實(shí)際考核過(guò)程中，項(xiàng)目種類及試驗(yàn)條件原則上需涵蓋表1所列范圍，可針對(duì)不同型號(hào)探測(cè)器的實(shí)際使用條件做相應(yīng)調(diào)整。

3 考核條件制定

本文根據(jù)表1中的典型考核項(xiàng)目及條件，按照項(xiàng)目全覆蓋、條件更嚴(yán)格的原則制定了航天光學(xué)遙感探測(cè)器濾光片的環(huán)境考核項(xiàng)目及條件，基本滿足大多數(shù)濾光片產(chǎn)品的考核需求，具體實(shí)施過(guò)程中可根據(jù)實(shí)際濾光片產(chǎn)品狀態(tài)或試驗(yàn)設(shè)備做適量調(diào)整。

1）高低溫循環(huán)試驗(yàn)

環(huán)境壓力：常壓；相對(duì)濕度：＜10%；溫度范圍：-40～85 ℃；循環(huán)次數(shù)：25個(gè)循環(huán)；溫升要求：dT/dt＜2 ℃/min；高低溫保持時(shí)間：2 h。

2）熱真空試驗(yàn)

①工況a

環(huán)境壓力：≤6.65×10-3Pa。溫度范圍：-40～65 ℃；循環(huán)次數(shù)：15個(gè)循環(huán)；溫升要求：dT/dt＜2 ℃/min；高低溫保持時(shí)間：2 h。

②工況b

環(huán)境壓力：≤6.65×10-3Pa。溫度范圍：-100～105 ℃；循環(huán)次數(shù)：10個(gè)循環(huán)；溫升要求：dT/dt＜2 ℃/min；高低溫保持時(shí)間：4 h。

熱真空試驗(yàn)設(shè)置了 2個(gè)工況，工況 a覆蓋了表1中的熱真空試驗(yàn)條件，工況b是對(duì)工況a的補(bǔ)充，起到老煉考核的目的。試驗(yàn)時(shí)2個(gè)工況依次進(jìn)行，工況a完成后對(duì)濾光片進(jìn)行測(cè)試檢查，無(wú)異常后繼續(xù)實(shí)施工況b的考核。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)可根據(jù)濾光片的批次成熟程度決定是否增加工況b考核。

3）熱存儲(chǔ)試驗(yàn)

溫度：150 ℃；相對(duì)濕度：35%～55%；保持時(shí)間：4 h。

4）濕度試驗(yàn)

相對(duì)濕度：95%；溫度：40 ℃；保持時(shí)間：24 h。

5）輻照試驗(yàn)

輻射源：60Co γ射線源，劑量參考值50 krad(Si)。

4 測(cè)試方法

光譜特性和膜層牢固度是濾光片的 2個(gè)重要特性[16-17]。光譜特性是濾光片的基本光學(xué)參數(shù)，直觀反映其濾光能力。膜層牢固度是濾光片的重要物理特性，對(duì)于有掩膜（相鄰濾光膜之間的黑色漆質(zhì)膜層，多采用絲網(wǎng)印刷工藝，起到譜帶隔離作用）的多譜帶濾光片，若掩膜在軌脫落，會(huì)造成遙感相機(jī)圖像中出現(xiàn)大面積黑色遮擋[8,18-20]，因此對(duì)濾光片膜層牢固度進(jìn)行測(cè)試非常必要。每項(xiàng)環(huán)境考核后都需要對(duì)濾光片的光譜特性和膜層牢固度進(jìn)行測(cè)試，并與環(huán)境試驗(yàn)前的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向?qū)Ρ?，依此?lái)判斷環(huán)境試驗(yàn)對(duì)濾光片的影響。

光譜特性測(cè)試即利用分光光度計(jì)測(cè)試濾光片各譜帶的透過(guò)率數(shù)據(jù)曲線，得到譜帶透過(guò)率、定位波長(zhǎng)、帶寬、陡度、帶外積分響應(yīng)等參數(shù)。

膜層牢固度包括膜層附著力和膜層耐擦拭性。膜層附著力測(cè)試時(shí)，首先使用3M膠帶（黏結(jié)強(qiáng)度為2～4 N/cm）將其膠面貼在濾光片抽樣件膜層表面，排出所有氣泡（膠帶粘貼處距膜層邊緣有約1 mm間隙）；然后拉起膠帶一端，以垂直于膜層表面的力迅速拉開(kāi)；最后檢查濾光片表面是否有脫膜跡象。膜層耐擦拭性測(cè)試時(shí)，將抽樣件在丙酮或者酒精和乙醚混合液中超聲洗20 min后，用蘸有酒精和乙醚混合液的脫脂紗布對(duì)該濾光片抽樣件反復(fù)擦拭20次，檢查其表面是否有脫膜跡象。

5 考核流程設(shè)計(jì)

濾光片的環(huán)境考核包括高低溫?zé)嵫h(huán)、熱真空、熱存儲(chǔ)、濕度、輻照共5項(xiàng)，考核后的測(cè)試包括光譜特性測(cè)試和膜層牢固度測(cè)試2項(xiàng)。完成整個(gè)考核測(cè)試的周期長(zhǎng)，使用的試驗(yàn)及測(cè)試設(shè)備多，因此制定合理的考核測(cè)試流程以提高測(cè)試效率非常必要。圖1是本文提出的考核測(cè)試流程，流程中的考核項(xiàng)目按其重要程度先后進(jìn)行。首先進(jìn)行熱循環(huán)，通過(guò)最嚴(yán)苛的基礎(chǔ)考核充分暴露產(chǎn)品缺陷，排除不合格產(chǎn)品批次，避免后續(xù)不必要的考核流程。將熱存儲(chǔ)與熱循環(huán)試驗(yàn)合并，以提高考核效率。熱循環(huán)考核通過(guò)后依次進(jìn)行熱真空、濕度、輻照考核，每項(xiàng)考核后進(jìn)行光譜特性和膜層牢固度測(cè)試，一旦發(fā)現(xiàn)不合格即中止考核流程。只有經(jīng)歷所有考核項(xiàng)目并且通過(guò)所有測(cè)試的產(chǎn)品批次才被認(rèn)定為合格。

圖1 濾光片環(huán)境考核及測(cè)試流程Fig.1 Environmental assessment and test process for filter

流程說(shuō)明：

1）第1步是產(chǎn)品的初次光譜特性測(cè)試，數(shù)據(jù)留存，作為后續(xù)光譜測(cè)試的數(shù)據(jù)對(duì)比參考；

2）每項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)后，先對(duì)濾光片外觀進(jìn)行目視檢查，無(wú)異常后再進(jìn)行相關(guān)測(cè)試；

3）每項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)后，產(chǎn)品需在實(shí)驗(yàn)室靜置24 h之后再進(jìn)行光譜特性測(cè)試和膜層牢固度測(cè)試；

4）光譜特性和膜層牢固度這2項(xiàng)測(cè)試不能在產(chǎn)品的同一區(qū)域?qū)嵤?，以免影響光譜特性測(cè)試的準(zhǔn)確性（對(duì)于尺寸較小的濾光片，可增加考核樣本數(shù)量或采用隨爐試片）；

5）具體實(shí)施時(shí)，需考慮產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家、批次、工藝成熟度等因素，在確?？己顺浞值那疤嵯聦?duì)考核項(xiàng)目進(jìn)行刪減和調(diào)整。

6 考核實(shí)例

圖2為某遙感相機(jī)濾光片產(chǎn)品，共有4個(gè)多光譜帶，其中B1譜帶光譜特性設(shè)計(jì)值及初次測(cè)試結(jié)果（對(duì)應(yīng)考核流程的第1步）如表2所示。圖3為該產(chǎn)品在按照環(huán)境考核流程進(jìn)行各考核項(xiàng)目之后的透過(guò)率曲線疊加圖。該批次產(chǎn)品經(jīng)歷了完整的考核流程后，測(cè)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)容差，為合格品。產(chǎn)品在后續(xù)地面試驗(yàn)測(cè)試及在軌期間運(yùn)行穩(wěn)定，證明了本文考核方法的有效性。

圖2 某多譜帶濾光片示意Fig.2 Sketch of a color filter

表2 某濾光片B1譜帶光譜特性技術(shù)要求及初次測(cè)試結(jié)果Table 2 Design and measured spectral-characteristic values for band B1 of a filter

圖3 濾光片經(jīng)歷各項(xiàng)環(huán)境考核之后的透過(guò)率曲線疊加圖Fig.3 Transmittance curves of band B1 of the fliter after the environmental assessment tests

7 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一套用于航天光學(xué)遙感探測(cè)器濾光片環(huán)境考核的方法，能夠?qū)V光片進(jìn)行全面的環(huán)境考核，充分暴露產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，確保產(chǎn)品在軌運(yùn)行期間的環(huán)境適應(yīng)性和穩(wěn)定性。對(duì)考核測(cè)試流程進(jìn)行了優(yōu)化，提高了效率，降低了成本。該考核方法已在發(fā)射和在研遙感相機(jī)上得到試驗(yàn)驗(yàn)證，可作為濾光片環(huán)境考核參考。

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